Optimization of Digestion Conditions in the Kjeldahl Method for Nitrogen Analysis Using Response Surface Methodology
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摘要: 经典凯氏定氮法是通过观察消解反应现象来控制温度和时间，对于数量较多的样品同时消解会耗费大量的人力及时间，因此需要采用合理的试验设计方法确定最佳消解温度和时间，以实现批量消解样品，提高分析效率。本文利用响应曲面法对凯氏定氮法中的消解条件进行了优化分析，选择料液比、消解温度和消解时间作为优化因素，研究三因素的不同水平对氮含量测定的影响。通过响应曲面分析得到最优的消解条件为：料液比(g/mL)=0.3 : 5，消解温度260℃，消解时间60 min。重复实验结果表明，样品在优化的条件下能够很好地消解，重现性较好；标准物质的氮含量的实验测定值(1310×10-6)与标准值(1300×10-6)基本一致，两者的对数误差绝对值为0.003，方法的准确性高。应用响应曲面试验设计方法，对于评价凯氏定氮法中三个消解条件对氮含量的非线性影响起到了很好的优选作用，能更好地预测实验因素对分析结果的影响趋势，可以准确控制消解温度和消解时间，对于提高分析效率具有实用意义。Abstract: Reaction phenomenon has always been observed to control digestion conditions such as temperature and time in classical Kjeldahl method for nitrogen analysis, but it is not suitable for a large number of samples which need a lot of manual labour and time. Therefore it is necessary to optimize digestion conditions for simultaneous digestion of a large number of samples in order to increase efficiency. In this experiment, response surface methodology (RSM) was applied for the optimization of digestion conditions in the Kjeldahl method for nitrogen analysis. In RSM analysis, solid/liquid ratio, digestion temperature and digestion time which affect the determination of nitrogen content were examined. Results show that the optimal parameters were determined as follows: solid/liquid ratio of 0.3 : 5 (g/mL), digestion temperature of 260℃, and digestion time of 60 min. Under the optimized conditions, the calculated value (1310×10-6) and certified value (1300×10-6) of nitrogen content are basically consistent with the absolute value of logarithmic error of 0.003 giving it practical significance. The BBD experiment of digestion condition in Kjeldahl method plays a very good role in optimizing the nonlinear effects of measuring nitrogen content, which can better predict the trend of the impact of experimental factors on the results. The research provided the scientific basis and theory guidance for optimization research of digestion conditions by correctly using RSM. It will speed up analysis and also save time by adjusting the digestion temperature and digestion time accurately.
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研究绿松石的矿料来源对于了解古代先民的活动范围、开采运输能力和考古文化联系等问题都具有重要的意义[1-6]。而它的来源问题一直是考古学界关注而又悬而未决的问题，如何能够正确鉴定绿松石矿料来源成为当务之急，显然这一问题的解决有赖于对绿松石矿物和结构特征等诸多方面的深入研究。前人主要从成分或者结构分别对我国一些产地的绿松石进行了研究和总结，但是并没有形成一个绿松石地域特征的划分体系。在前人的研究中，通过X射线衍射 (XRD) 物相分析对绿松石的结构进行分析，在成分分析上通常采用高分辨电感耦合等离子体质谱仪 (ICP-MS)、拉曼光谱来研究不同产地绿松石的谱线特征。为了进一步研究不同产地绿松石的产地特征，本文采用ICP-MS、扫描电镜、XRD、红外吸收光谱等现代测试方法[7]分析来自不同地区绿松石的成分，尤其是分析微量元素和稀土元素的种类和含量，同时对结构特征也进行了分析，从而为古绿松石来源的无损鉴定[8]提供一定的借鉴作用。
1. 样品特征及分析方法
1.1 样品描述
选取湖北竹山县秦古镇和安徽马鞍山绿松石为研究样品，其特征和形貌见表 1和图 1。
表 1 绿松石样品特征Table 1. Characteristics of turquoise samples样品 产地 描述 CL-1 湖北竹山县秦古镇 蓝灰色，结构致密，黑色物质相间分布 CL-2 湖北竹山县楼台乡 淡绿色，围岩含较多铁矿 CL-3 湖北竹山县溢水镇 淡蓝绿色，结构松散 CL-4 安徽马鞍山 浅蓝色，被围岩包裹 1.2 分析仪器
采用能谱仪 (EDAX)、GeoLas 2005激光剥蚀系统和Agilent 7500a等离子体质谱仪 (美国Agilent公司) 进行成分分析。激光能量70 mJ，频率8 Hz，激光束斑直径32 μm。
采用PW3373/10型X射线衍射仪 (日本理学株式会社) 进行物相分析。
采用AVATAR-370DTGS傅里叶变换红外光谱仪 (Nicolet) 进行矿物基团分析。
采用JSM-350CF型环境扫描电子显微镜 (荷兰FEI公司) 进行微观形貌和结构特征分析。
2. 分析与讨论
2.1 化学成分分析
X射线能谱分析绿松石样品中氧化物含量见表 2。湖北竹山县 (CL-1) 和安徽马鞍山地区 (CL-4) 的绿松石主成分中都含有一定量的Fe和微量的SiO2，其中竹山县样品CL-2和CL-3还含有一定量的S，两地的绿松石成分都与理论值[9]相比存在一定的偏离，这可能与所选样品为绿松石原石有关，因为原石中所含围岩矿物的成分会影响绿松石的主要元素含量。
表 2 X射线能谱分析绿松石中氧化物含量Table 2. Main chemical compositions of oxides in turquoise samples by EDAX analysis样品编号 wB/% Al2O3 SiO2 P2O5 Fe2O3 CuO SO3 CL-1 41.60 0.88 42.20 1.73 13.60 - CL-2 35.31 0.57 42.23 14.36 5.99 1.54 CL-3 46.41 2.65 40.56 1.50 7.56 1.32 CL-4 40.00 0.51 39.63 3.36 16.50 - 理论值 36.84 - 34.12 - 9.57 - 绿松石样品的微量元素含量见表 3。秦古绿松石 (CL-1) 中Na、Mg、Si、Ca、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Co、Zn、Sr、Mo、Sb和Ba元素的含量与马鞍山绿松石存在较大的差异，这与绿松石矿的地质特征紧密相关。竹山县绿松石主要的伴生矿物有多水高岭石、水铝英石、明矾石、石英、方解石、蓝铜矿和孔雀石等，而马鞍山绿松石矿床成矿围岩中富含磷灰石，并伴有铜矿体[10]，所以在一定程度上来讲上述微量元素的存在也是这些伴生矿物引入的。
表 3 等离子体质谱分析绿松石中微量元素含量Table 3. Chemical compositions of micro-amount of elements in turquoise samples by ICP-MS元素 wB/(μg·g-1) CL-1 CL-4 Y 0.464 0.707 Zr 0.320 0.390 Nb 0.021 0.003 Mo 147.234 0.018 Ag 0.116 0.052 Cd 0.726 0.019 In 0.192 1.684 Sn 2.159 1.555 Sb 76.300 0.651 Li 0.115 0.139 Be 5.326 6.078 B 2.650 1.073 Na 69.630 184.435 Mg 1.651 8.220 Si 282.623 507.143 K 214.616 327.047 Ca 0.000 13.092 Sc 2.647 13.645 Ti 78.346 27.745 Cs 0.011 0.004 Ba 1597.627 Li Hf 0.015 0.020 Ta 0.017 0.008 W 0.662 0.039 Tl 0.172 0.011 Pb 0.345 2.230 Bi 0.008 0.131 Th 0.000 0.173 U 67.272 0.984 V 310.534 25.235 Cr 325.871 5.927 Mn 0.000 0.221 Co 1.313 27.831 Ni 0.768 0.857 Zn 1584.435 147.116 Ga 19.476 10.371 Ge 0.214 0.340 Rb 0.364 0.597 Sr 19.249 3.431 从矿床学的角度来分析，竹山县的绿松石矿体赋存于寒武系硅质泥质板岩中，并且它的矿化与铀的矿化分布一致，广泛分布有铀-钒-钡矿化层，这就造成了产于竹山县的绿松石在U、V、Ba元素上远大于马鞍山地区绿松石。而马鞍山地区绿松石矿的成矿围岩为富钠的碱钙性岩石，其中龙王山组富含K2O，大王山组及次火山岩相对富含Na2O，而K2O的含量也较高[11]，因此在碱性元素上马鞍山地区的绿松石含量普遍高于竹山地区。
任何矿石都是在某一地质历史时期，由某种地质作用在特定的地质环境中形成的。由于稀土元素 (REEs) 的离子半径和化学行为存在细微的差别，造成了不同地质作用过程中轻重稀土元素发生分馏[12-13]，上述诸方面的差异均不可避免地体现在不同产地的绿松石矿中。根据REEs的指示作用可以通过讨论绿松石稀土元素的富化和亏损等对不同产地的绿松石作出鉴别，测定结果见表 4。
表 4 等离子体质谱分析绿松石稀土元素含量Table 4. Chemical compositions of REEs in turquoise samples by ICP-MS元素 wB/(μg·g-1) CL-1 CL-4 La 0.005 0.052 Ce 0.069 0.128 Pr 0.027 0.008 Nd 0.039 0.159 Sm 0.038 0.059 Eu 0.035 0.019 Gd 0.246 0.160 Tb 0.013 0.025 Dy 0.110 0.185 Ho 0.016 0.041 Er 0.051 0.090 Tm 0.016 0.030 Yb 0.080 0.168 Lu 0.011 0.019 由两地区样品稀土配分模式图 (图 2)，两样品中Gd都显示正异常，但在稀土配分形式上存在一定的相似性。CL-1和CL-4的稀土元素总量均较低，分别变化于0.005~0.246 μg/g、0.008~0.185 μg/g，二者轻稀土总量均小于重稀土总量，明显富集重稀土，配分曲线向右上角倾斜。样品CL-1显示强烈的Nd负异常，CL-1和CL-4出现Pr反向，La的含量也相差较大。马鞍山绿松石CL-4配分曲线，Eu显示负异常，而Eu的负异常特征是马鞍山地区绿松石中经常可以看到的[14]。这种稀土含量特征可能与两地的克拉克值 (即每一种化学元素在地壳中所占的平均比值) 分布有关。
综上所述，绿松石由于成矿背景和地质条件不同，竹山与马鞍山地区绿松石虽然主要成分含量基本一致，但在微量元素含量存在较大差别；两地区绿松石的稀土元素均富集重稀土，二者的稀土配分模式图出现Pr反向，马鞍山地区的绿松石表现出Eu负异常；马鞍山绿松石的结晶程度优于竹山绿松石。
2.2 X射线衍射物相分析
为确定不同产地不同颜色的绿松石是否其内部结构[15]也发生变化，特别对绿松石样品进行XRD物相分析，测得的XRD图谱和数据见图 3，结果表明，样品CL-2为铁绿松石，其XRD分析结果与上述的主成分分析相一致。对照JCPDS卡片，显示样品CL-1、CL-3和CL-4的衍射谱线、矿物组分与绿松石理论谱线相吻合。绿松石样品CL-1、CL-3和CL-4的主要粉晶衍射数据分别为0.3666 nm (100)、0.3664 nm (100)，二者基本相同。但马鞍山绿松石 (CL-4) 衍射峰的强度比竹山县绿松石 (CL-1、CL-3) 高，如图 4所示，说明马鞍山绿松石 (CL-4) 晶体的结晶程度优于CL-1和CL-3。从样品的外观 (见图 1) 和硬度来看，样品CL-2、CL-3所受风化程度较大，所以其衍射峰相对于CL-1和CL-4而言小些。
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图 3 不同产地绿松石XRD对比Figure 3. Comparison of XRD spectra of CL-1 and CL-4 samples from different provenances2.3 红外光谱分析
绿松石为含铜、铝和水的磷酸盐，OH、H2O及PO43-基团的振动模式和频率决定了绿松石红外光谱的主要特征[16]。图 4显示，竹山绿松石与马鞍山绿松石所表现出的红外吸收谱带特征基本相同，但绿松石晶体的结晶程度以及所受风化程度不同导致一些微小的差异。由绿松石中ν (OH) 伸缩振动致红外吸收锐谱带主要位于3511 cm-1、3459 cm-1处，而ν (MFe,Cu-H2O) 伸缩振动致红外吸收谱带则出现在3291 cm-1、3076 cm-1处，样品CL-3和CL-4的水区谱带被由吸附水ν (H2O) 伸缩振动致红外吸收舒宽谱带明显包络致使该区吸收谱带不够突出。由δ (H2O) 弯曲振动致红外吸收谱带位于1648 cm-1处。从图 4可以看出，由δ (H2O) 弯曲振动致红外吸收谱带与文献[17-19]报道的δ (H2O) 弯曲振动致红外吸收弱谱带存在一定的差异，可能是由于绿松石样品中水的结晶比较好所致。
由磷酸根基团伸缩振动致红外吸收谱带为：ν3 (PO4) 伸缩振动致红外吸收谱带位于1172 cm-1、1104 cm-1、1055 cm-1处，而δ (OH) 弯曲振动致红外吸收弱谱带出现在837 cm-1、787 cm-1处，由PO43-基团ν4 (PO4) 弯曲振动致红外吸收谱带主要位于645 cm-1、577 cm-1、482 cm-1处。这与文献[12]中天然绿松石的吸收谱带存在一定范围的偏差，可能是由于所选绿松石原石的结晶程度不完全所致。
2.4 微观形貌分析
样品CL-1、CL-2、CL-3和CL-4的扫描电子显微镜照片如图 5所示，5000倍下绿松石样品都呈现出鳞片状结构或针状结构，质地细腻。
3. 结语
通过两地绿松石的成分和结构特征对比，可以进一步分析不同产地绿松石的成矿背景，并且与古代著名绿松石产地的地质条件进行分析比对，进而可以从矿物成因的角度对古绿松石的产地进行判断，这就可以从源头上解决古绿松石的产地问题。
根据测试结果得出以下结论。
(1) 在成分上，两地绿松石的主要化学成分基本一致，而微量元素含量有一定的区别，尤其是稀土元素的含量具有显著的地域特征。由于在测试化学成分上所采用的仪器和方法都属于无损鉴定，因此在以后的研究中可以通过测试化学成分来标定各个产地绿松石的产地特点，从而为古绿松石产地的无损鉴定形成一个标准体系。
(2) 在结构上，两地的绿松石具有特征的绿松石谱线特征，并且马鞍山地区的样品结晶程度优于竹山县样品。
(3) 在形貌上，两地绿松石表现出质地细腻的特性。其中马鞍山绿松石具有明显的鳞片状集合体微观形貌结构，而竹山县绿松石呈现细鳞片状或针状结构。
绿松石可以采用X射线衍射和红外光谱以及扫描电镜进行鉴定。绿松石成分上的区别，尤其是某些微量元素和稀有元素含量上的差别可以用于判别地域，这些差别与绿松石矿的成矿背景有关。所以只有深入了解不同地区绿松石的成矿背景，才能为绿松石的产地划分提供依据。本文采用的测试化学成分的方法都是可以应用于古绿松石地域判别的无损鉴定。
不同产地的绿松石具有不同的矿物和结构特征，而且这些特征可以在不破坏绿松石外观的基础上来进行分析和判断。通过分析现代不同产地绿松石的特征能够得出绿松石的地域体系。这将对古绿松石的产地划分有很大的帮助，从而进一步推断出考古挖掘出来的古物的产地。
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图 1 氮含量的实验值与计算值的比较
Figure 1. Calculated values vs. experimental values of nitrogen content
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图 2 消解温度与消解时间交互影响氮含量的响应曲面图
Figure 2. Response surface graph for reciprocal effect of digestion temperature and digestion time on nitrogen content
表 1 BBD实验设计的因素水平
Table 1 Factors and levels in BBD design
因素 符号 水平 平均值x 标准差Δ -1 0 +1 料液比/(g·mL-1) x1 0.1 : 5 0.3 : 5 0.5 : 5 0.3 0.2 消解温度/℃ x2 230 265 300 265 35 消解时间/min x3 30 60 90 60 30 
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表 2 BBD设计及氮含量的实验值和计算值
Table 2 BBD matrix,experimental values and calculated values of nitrogen content
试验
编号x1 x2 x3 y 实验值 计算值 1 -1 +1 0 1415 1393 2 0 +1 -1 1341 1350 3 0 0 0 1329 1321 4 0 0 0 1317 1321 5 +1 0 +1 1290 1290 6 -1 -1 0 1286 1264 7 0 -1 -1 1117 1126 8 0 0 0 1329 1321 9 0 -1 +1 1235 1242 10 +1 -1 0 1097 1104 11 0 +1 +1 1345 1352 12 +1 0 -1 1253 1231 13 +1 +1 0 1302 1309 14 -1 0 +1 1404 1412 15 -1 0 -1 1327 1353
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表 3 BBD设计的方差分析结果
Table 3 Results of variance analysis from stepwise quadratic regression model using BBD design
方差来源 平方和 自由度 均方 F值 P值 模型 108346 6 18058 53.87 <0.0001 x1 30012 1 30012 89.54 <0.0001 x2 55778 1 55778 166.4 <0.0001 x3 6962 1 6962 20.77 0.0019 x1x2 1444 1 1444 4.308 0.0716 x2x3 3249 1 3249 9.693 0.0144 x22 10901 1 10901 32.52 0.0005 残差 2681 8 335.2 - - 失拟项 2585 6 430.9 8.977 0.1036 纯误差 96 2 48 - - 总和 111027 14 - - -
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表 4 验证试验的结果对比
Table 4 Verification tests of the method
土壤标准物质编号 w(N)/10-6 对数误差绝对值 氮含量的标准值与不确定度 氮含量的实验值 GBW 07402 630±59 625 0.004 GBW 07403 640±50 648 0.006 GBW 07404 1000±62 990 0.004 GBW 07405 610±31 636 0.018 GBW 07406 740±59 719 0.013 GBW 07407 660±62 648 0.008 GBW 07408 370±54 389 0.022 GBW 07424 1260±110 1308 0.010 GBW 07425 950±100 1002 0.016 GBW 07426 550±60 566 0.023 GBW 07427 720±90 742 0.012 GBW 07428 810±120 872 0.013 GBW 07429 940±100 1002 0.032 GBW 07430 1020±110 1049 0.028 GBW 07446 106 97 0.037 GBW 07447 273±33 318 0.066 GBW 07448 1030±109 1002 0.012
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岩石矿物分析编委会.岩石矿物分析(第四版 第四分册)[M].北京:地质出版社,2011: 862-864. LY/T 1228——1999,森林土壤全氮的测定[S]. 许禄,邵学广.化学计量学方法(第二版)[M].北京:科学出版社,2004: 114. 严浩,彭文杰,王志兴,李新海,郭华军,胡启阳.响应曲面法优化电解锰阳极渣还原浸出工艺[J].中国有色金属学报,2013, 23(2): 528-534. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZYXZ201302033.htm 刘永乐,王发祥,俞健,王建辉,李向红,武玮芸.响应曲面法优化莲子蛋白质的提取条件[J].长沙理工大学学报(自然科学版),2012, 9(4): 1-4. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HNQG201204002.htm 汪伦记,董英.马克斯克鲁维酵母固态发酵菊粉酶培养条件的优化[J].食品科学,2008,29(8): 402-406. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SPKX200808092.htm 牟新利,吴汉夔,祁俊生,程聪,张丽,朱文彬.响应曲面法提取水松总黄酮的工艺研究[J].光谱实验室,2008,27(1): 165-168. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GPSS201001038.htm 孟宪军,李冬男,汪艳群,刘小鸣,刘菊,李斌.响应曲面法优化五味子多糖的提取工艺[J].食品科学,2010,31(4): 111-115. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SPKX201004026.htm 王艳,张爱珍,任春生.正交试验设计与优化的理论基础与应用进展[J].分析试验室,2008,27(增刊): 333-334. doi: 10.3969/j.issn.1000-0720.2008.z1.100 秦荣大,郑永章.土壤分析标准方法[M]//[日]土壤标准分析测定法委员会.分析化学译丛(第三集).北京:北京大学出版社,1988: 58-62. 徐向宏,何明珠.试验设计与Design-Expert、SPSS应用[M].北京:科学出版社,2012: 155. 王雅.催化剂与浓硫酸组成比例对凯氏定氮消化时间的影响[J].甘肃科技,2005,21(9): 91-92. http://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GSKJ200509044.htm
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